煤气化细渣选择性絮凝浮选研究

Selective Flocculation Flotation of Coal Gasification Fine Slag

摘要

目的 在浮选过程中，由于气化细渣中无机矿物和煤气化后残余的碳颗粒相互黏连且气化细渣细粒级颗粒粒径过小，存在微细粒混凝、水分夹带等问题，本文采用硅酸钠为气化细渣提供稳定的分散环境，探究聚合二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMAC）对灰质和残炭的选择性絮凝作用。 方法 借助浊度仪、激光粒度仪和电泳仪等表征手段和分子动力学模拟揭露PDADMAC对煤气化细渣选择性絮凝机理。 结果 结果表明：硅酸钠2 kg·t^-1，PDADMAC 40 g·t^-1时，絮凝浮选效果最佳，精矿产率31.30%、精矿灰分44.27%、尾矿灰分93.35%、选择性系数34.30%。相比于常规浮选，精矿灰分降低8.16%，选择性系数提高7.1%。硅酸钠为溶液提供负电环境，残炭和灰质颗粒充分分散，PDADMAC通过配位作用与残炭颗粒形成铵盐，选择性吸附于残炭颗粒上，减小残炭上氢键的含量，增大残炭的疏水性。PDADMAC提高灰质之间的静电斥力，抑制灰质的絮凝。 结论 选择性絮凝浮选为气化细渣微细粒级精细浮选提供一条可行的技术思路。

Abstract

Purposes During the flotation process, the fine gasification slag particles exhibit challenges such as micro-fine particle coagulation and moisture entrainment since the interlocking of inorganic minerals and residual carbon particles from coal gasification, coupled with the excessively small particle size of the fine-grade gasification slag. Methods In this study, sodium silicate was employed to establish a stable dispersion environment and the selective flocculation effects of polydiallyldimethylammonium chloride (PDADMAC) on ash and residual carbon were investigated. Through characterization techniques such as turbidimetry, laser particle size analysis, and electrophoresis, combined with molecular dynamics simulations, the mechanism of PDADMAC-induced selective flocculation in coal gasification fine slag was elucidated. Results The results indicate that the optimal flocculation-flotation performance is achieved with sodium silicate dosage of 2 kg·t^-1 and PDADMAC dosage of 40 g·t^-1, obtaining a concentrate with 31.30% yield and 44.27% ash content, a tailing ash content of 93.35%, and a selectivity coefficient of 34.30. Compared with conventional flotation, by adopting the proposed method, the ash content of the concentrate is reduced by 8.16%, while the selectivity coefficient is increased by 7.1%. Sodium silicate provides a negatively charged environment, promoting sufficient dispersion of residual carbon and ash particles. PDADMAC forms ammonium salts with residual carbon particles via coordination, selectively adsorbed onto the carbon surfaces, thereby reducing hydrogen bonding and enhancing their hydrophobicity. Concurrently, PDADMAC increases electrostatic repulsion among ash particles, suppressing their flocculation. Conclusions Selective flocculation-flotation offers a feasible approach for the efficient benefication of fine particles in gasification fine slag.

Graphical abstract

关键词

煤气化细渣 / 选择性絮凝 / 硅酸钠 / 聚合二甲基二烯丙基氯化铵

Key words

coal gasification fine slag / selective flocculation / sodium silicate / polydiallyldimethy⁃lammonium chloride

煤气化渣是煤气化过程中产生的大宗废弃物，我国煤气化渣年排放量已然高达6 000万吨^［1］。受制于成本和技术问题，目前针对气化渣并没有大规模的消纳途径，大多进行填埋和堆积处理，不仅占据大量的土地资源，还会造成严重的环境污染。国务院办公厅于2024年2月6日发表的《关于加快构建废弃物循环利用体系的意见》指出，构建废弃物循环体系是实施全面节约战略、保障国家资源安全妥善推进碳达峰碳中和、加快绿色转型的重要举措。

煤气化渣炭-灰分离是实现气化渣大规模消纳的前提。现如今煤气化渣炭-灰分离方法主要有重力分选、泡沫浮选法等^［2］。重力分选是利用残炭和矿物质的密度差异进行分选，但对较细粒度级的分选效果较差^［3］。浮选是微细粒矿物常用的分选方法。高温气化反应后的残炭表面仍残留疏水官能团，与亲水矿物存在润湿性差异，是气化细渣实现浮选分离的理论依据。然而，气化细渣中灰质颗粒的粒度过小，在浮选过程中会与残炭发生混凝或者通过水流、机械夹带等作用进入精矿中导致精矿灰分升高^［4］。樊晓婷等人^［5］进行煤气化渣浮选实验，随着煤油用量的增大，可燃体回收率增大，不可燃体回收率也增大。碳组分进入精矿的同时无机矿物也进入精矿中，常规的浮选并不能对气化细渣进行有效分选。

WEBER等^［6-7］推导出碰撞概率P_e的表达式：

P_{\mathrm{e}}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\left[\mathrm{1}+\frac{\left(\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{16}}R{e}^{\mathrm{0.72}}\right)}{\mathrm{1}+\mathrm{0.249}R{e}^{\mathrm{0.56}}}\right]{\left(\frac{D_{\mathrm{p}}}{D_{\mathrm{b}}}\right)}^{\mathrm{2}} .（1）

式中：D_p为颗粒的粒径，D_b为气泡的直径。

发现颗粒与气泡的碰撞概率与颗粒的粒径成正比，与气泡的粒径成反比。因此，理论上可通过增大气化细渣残炭粒径提高其与气泡的碰撞概率强化浮选。

选择性絮凝是利用絮凝剂对有用矿物和脉石矿物絮凝差异化，将有用矿物和脉石矿物通过常规方法分离的过程。在众多学者建立的水分夹带模型中粒度是决定脉石矿物回收率的重要因素^［8-10］。GAO等^［11］发现聚环氧乙烷（PEO）可以同时絮凝气化细渣中的残炭颗粒和灰颗粒，PEO对灰颗粒的絮凝作用远强于残炭颗粒。灰颗粒将被选择性絮凝，减少水分夹带、机械夹带的影响，实现气化细渣炭-灰高精度分离。絮凝剂对目标颗粒吸附能力体现在吸附量和吸附强度两个方面。吸附量在选择性絮凝中起到决定性作用，吸附强度决定絮团的物理性质（如粒径、强度和形状等）。赵江涛等人^［12］通过研究阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）对石英、高岭石和煤的沉降效果，发现高岭石和煤中的有机质会与APAM发生氢键作用，絮团的粒径增大，随着APAM 的增加，煤絮团的平均弦长增大2 µm，高岭石絮团的平均弦长增大71 µm，而对石英无影响。WANG等^［13］发现低剂量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）会优先吸附于石英和高岭石表面，降低石英和高岭石的Zeta电位，降低颗粒之间的双电子层斥力，颗粒间范德华力占主导地位，诱导石英和高岭石的团聚，而低剂量PVP对煤基本无影响。

国内对于煤炭的选择性絮凝多以六偏磷酸钠（SHMP）为分散剂，聚丙烯酰胺（PAM）作为絮凝剂使得煤炭发生絮凝。SHI等^［14］通过添加SHMP和PAM，SHMP会与灰颗粒发生化学吸附，在灰颗粒表面形成一层亲水层，抑制PAM与灰颗粒的吸附，而SHMP对残炭颗粒无影响，达到灰颗粒分散、残炭颗粒絮凝的效果。相较于传统浮选，可燃体回收率可提升10%。但此种方法只能提高精矿产率，脉石矿物对精矿的污染无法避免。其根本原因在于传统聚丙烯酰胺对颗粒的絮凝机理并非单一的，对与煤炭和灰质选择性较弱且难以定性。

从官能团角度出发筛选出高选择性的絮凝剂。煤气化渣在经历了煤气化过程后，煤炭表面的脂肪烃、芳烃等大部分官能团会被分解形成醛、醚和醇羟基等含氧官能团^［15-17］，残炭表面的含氧官能团会为水分子提供亲水位点^［18-21］，与水分子反应形成氢键，使气化渣的疏水性降低。还可利用絮凝剂分子与残炭含氧基团反应形成化学键，结合在一起形成颗粒絮团，并且降低残炭表面亲水官能团的含量，增大残炭颗粒的疏水性。聚合二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMAC）作为阳离子絮凝剂会与带负电的溶液发生静电中和形成絮团^［22］。YAN等^［23］使用PDADMAC脱除煤泥水中的蒙脱石，与传统的聚丙烯酰胺相比，PDADMAC能以更低的剂量实现高效脱泥。

综上所述，从化学键形成的角度考虑，PDADMAC理论上能作为气化细渣浮选的絮凝剂。结合前期探索实验，本研究选用硅酸钠作为分散剂、PDADMAC作为絮凝剂，开展煤气化细渣的选择性絮凝浮选研究，并通过表征实验和分子动力学模拟，分别从宏观和微观层面探究絮凝剂对残炭颗粒和灰质颗粒的相互作用机理。

1 试验样品与试剂

1.1 样品的制备与性质分析

试验所采用的煤气化细渣采自山西省晋城华昱煤化工责任有限公司。以重选后的超低灰分的精炭和高灰分灰质（以下分别称为残炭和灰质）细磨后作为理论分析样品。

图1为残炭、灰质和气化细渣的激光粒度测试结果，气化细渣的粒径分布较广，D₁₀、D₅₀和D₉₀分别为2.56 µm、13.6 µm和80.2 µm，灰质粒径D₁₀、D₅₀和D₉₀分别为3.97 µm、12.9 μm和36.1 μm，残炭粒径D₁₀、D₅₀和D₉₀分别为5.50 μm、14.5 μm和36.8 μm。残炭和灰质粒径较为接近，均小于气化细渣粒径，从粒度上可作为气化细渣中细粒级颗粒理论测试和分析的样品。

对气化细渣、残炭和灰质进行工业分析和元素分析，结果见表1。残炭固定碳含量87.75%，气化细渣固定碳含量18.27%，残炭灰分8.75%，灰质烧失量极低，二者可用于模拟气化细渣选择性絮凝过程中碳组分和无机矿物质的絮团粒度变化。

使用X射线衍射仪（XRD）对气化渣进行检测结果如图2所示，衍射图呈现宽衍散布，石英峰特征最为明显，20°~30°形成“馒头”状的包峰^［24］，结合表2气化细渣的X射线荧光光谱仪（XRF）结果，气化细渣主要成分为SiO₂、Al₂O₃等。此处的宽峰为无定型的硅铝酸盐^［25］。

1.2 研究方法

1.2.1 絮凝浮选试验方法

气化细渣浮选试验采用1 L的XFD浮选机，浮选流程如图3所示，矿浆浓度为50 g·L^-1，充气量为0.25 m³·L^-1，叶轮转速为2 000 r·min^-1，润湿1 min后加入分散剂分散1 min，加入絮凝剂2 min，加入捕收剂调浆3 min，加入起泡剂作用10 s后开启充气，刮泡3 min。将浮选得到的精矿和尾矿过滤后在烘箱中85 ℃烘干后称重并对其灰分进行化验。计算精矿产率、尾矿产率、精矿灰分、尾矿灰分、可燃体回收率、不可燃体回收率、选择性系数，对浮选性能进行评价，计算公式如下：

\eta =\frac{{\gamma }_{\mathrm{j}}\left(\mathrm{100}-A_{\mathrm{j}}\right)}{\left(\mathrm{100}-A_r\right)} .（2）

\xi =\frac{{\gamma }_{\mathrm{j}}{A}_{\mathrm{j}}}{A_{\mathrm{r}}} .（3）

K=\eta \times \frac{A_{\mathrm{r}}-A_{\mathrm{j}}}{A_{\mathrm{r}}} .（4）

式中：A_j为精矿灰分；A_r为浮选气化渣灰分；{\gamma }_{\mathrm{j}}为精矿产率；η为可燃体回收率；ξ为不可燃体回收率；K为选择性系数。

1.2.2 分析及表征方法

沉降试验。探索不同PDADMAC浓度对残炭和灰质沉降的影响规律，分别称取5 g残炭和灰质，加入100 mL去离子水配成悬浊液，置于磁力搅拌器上600 r ·min^-1搅拌5 min，然后将悬浊液移至100 mL沉降管，加入絮凝剂反复倒置5次后放在稳定台面上进行沉降试验。计时并记录澄清液面下降距离。悬浊液沉降3 h后用移液枪取15 mL上清液，采用WZS-186浊度仪对悬浊液进行浊度测试。

粒度组成分布。使用Malvern Mastersizer 3000型激光粒度仪采用SOP测试程序测试不同PDADMAC用量作用下残炭、灰质粒度组成的变化。

Zeta电位分析。利用JS94型微电泳仪，测试不同PDADMAC用量作用前后的残炭和灰质的Zeta电位变化。取适量的残炭和灰质加入到100 mL去离子水中，置于磁力搅拌器上600 r·min^-1搅拌30 min，静置5 min后取上层清液测试Zeta电位。

接触角分析。使用DSA100型接触角测试仪，测试样品在不同药剂作用前后的润湿性。将样品在烘箱中以恒温80 ℃烘干，取0.2 g样品用压片机在30 MPa下压片2 min。将压好的片置于接触角测试仪上，滴入去离子水测量其形成的接触角。

傅里叶红外光谱（FT-IR）分析。使用德国BRUKER公司的INVENIO-R型红外光谱仪对样品进行分析。将测试样品和KBr在烘箱中以80 ℃烘干，将样品与KBr按质量比1∶200混合磨匀压片。在400~4 000 cm^-1波数范围内进行扫描，分辨率为4 cm^-1。

MS模拟。使用Masterials Studio软件进行分子动力学模拟。残炭模型参照SHI等^［14］提出的分子结构，构建水-PDADMAC-残炭模型。主要成分为SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO，构建水-PDADMAC-α-SiO₂（100）、水-PDADMAC-Al/SiO₂（100）、水-PDADMAC-Fe/SiO₂（100）和水-PDADMAC-Ca/SiO₂（100）模型。

2 试验结果与分析

2.1 选择性絮凝浮选试验结果

图4（a）为PDADMAC对精矿产率、精矿灰分、尾矿灰分和选择性系数的影响，随着PDADMAC浓度的增加，精矿产率和精矿灰分呈现先减小后增大的趋势，尾矿灰分基本保持不变。选择性系数呈现先增大后减小的趋势。随着PDADMAC的添加，选择性系数由27.23%增加到34.31%。

从图4（b）的选择性系数上来看常规浮选<分散剂<分散剂+絮凝剂，相比于常规浮选精矿灰分降低8.16%，选择性系数提高7.10%。残炭与PDADMAC可能发生了静电吸附，使得残炭絮凝成更大的颗粒，提高了残炭颗粒与捕收剂的碰撞概率，提高浮选速率。絮凝剂与灰质在分散剂的抑制下相互排斥，呈现分散状态。

2.2 沉降试验结果

为探究气化细渣中碳和无机矿物在气化细渣悬浊液中的变化，研究不同药剂制度下沉降管中残炭和灰质的变化。由于残炭颗粒和灰质颗粒的粒径过于细小，无法通过肉眼观测澄清液面的变化，因此将残炭和灰质悬浊液静置3 h，观察沉降管内悬浊液的状态。

图5（a）为不同药剂剂量下残炭悬浊液沉降3 h后的结果图，可看出分散剂对残炭颗粒的分散作用明显。随着PDADMAC用量的增大，残炭悬浊液愈发清澈，PDADMAC可吸附于残炭上形成质量更大、体积更大的残炭絮团。而在图5（b）中加入分散剂的沉降管同样分层效果最弱，加入PDADMAC后沉降管内分层效果明显强于未加药剂和加了分散剂这两组，加了40 g·t^-1PDADMAC的沉降管上清液颜色比其他絮凝剂用量的更灰，此用量下的PDADMAC对灰质的絮凝作用开始变弱。灰质颗粒开始重新分散，PDADMAC为40 g·t^-1时，絮凝剂对残炭和灰质的选择性最佳，PDADMAC可增大残炭粒径，降低灰质粒径。

使用浊度仪吸取15 mL上清液，测试上清液浊度。图6表明，随着PDADMAC浓度的增大，残炭上清液的浊度逐渐减小，残炭的浊度由41.3 NTU降低至37.8 NTU。50 g/t时残炭的浊度最小。在10 g·t^-1PDADMAC时灰质的上清液浊度为26.2 NTU，随着PDADMAC浓度的增大，灰质的上清液浊度逐渐增大，在40 g·t^-1时灰质的上清液浊度达到67.1 NTU，而后下降至40.5 NTU，PDADMAC 40 g·t^-1时的残炭上清液和灰质上清液浊度差最大。

分散剂硅酸钠和40 g·t^-1PDADMAC的联合作用对残炭和灰质的絮凝具有良好的选择性。这也与浮选实验的结果相对应。

2.3 矿物粒度分布变化

使用激光粒度仪对分散剂硅酸钠和絮凝剂PDADMAC作用下，残炭和灰质的粒径分布进行分析，如图7（a）所示。随着硅酸钠的添加，残炭中大于100 μm的峰减小，而后加入PDADMAC，大于100 μm的峰重新出现了。图7（b）所示，随着硅酸钠的加入，灰质颗粒中大于100 μm的峰减小，并随着PDADMAC的加入，大于100 μm的峰仍然继续减小。

在硅酸钠2 kg·t^-1时残炭D₉₀降低6.5 μm，灰质D₉₀降低4.4 μm。随着PDADMAC剂量的增大，残炭颗粒的D₉₀逐渐增大。灰质颗粒的D₉₀逐渐减小，PDADMAC为40 g·t^-1达到最小值，随后增大。残炭D₉₀由30.3 μm增大至36.4 μm，灰质D₉₀由30.7 μm降低至27.9 μm。

残炭和灰质在硅酸钠2 kg·t^-1和40 g·t^-1 PDADMAC联合作用下能减小灰质的粒径，增大残炭的粒径，增大残炭颗粒与捕收剂的碰撞概率，残炭颗粒和灰质有效分离。

2.4 Zeta电位分析

在pH为7的溶液环境下，分别对不同PDADMAC药剂用量下残炭和灰质颗粒的Zeta电位进行分析。图8为不同PDADMAC用量下残炭和灰质颗粒的Zeta电位变化趋势。硅酸钠为浮选槽内提供一个稳定的负电环境，系统呈现稳定的分散状态。随着PDADMAC用量的增加，残炭的电位呈现增大的趋势，灰质的电位呈现先增大后减小再增大的趋势。在PDADMAC用量为40 g·t^-1时，残炭和灰质的电位差达到最大值14.33 mV。

2.5 亲疏水性分析

为探究分散剂硅酸钠和絮凝剂PDADMAC作用下气化细渣中残炭表面的润湿性变化，表征不同药剂添加下接触角的差异，取0.2 g残炭，使用压片机制成薄片，经接触角测试仪测试后如图9所示。添加硅酸钠后，接触角显著下降，接触角降低了5.5°。硅酸钠在气化渣表面形成一层亲水膜，提高了气化渣的润湿性，对气化渣具有良好的分散作用。

随着PDADMAC剂量的增大，残炭的接触角增大，PDADMAC添加40 g·t^-1时残炭的接触角最大，残炭的接触角增大20.2°。综上所述，在选择性絮凝浮选过程中，硅酸钠的添加降低气化细渣中残炭的疏水性，降低气化细渣中残炭和灰质的混杂现象，随后加入适量的PDADMAC增大残炭的疏水性，使得残炭与煤油碰撞概率提高强化浮选，得到低灰的精矿和高灰的尾矿。

2.6 FT-IR光谱分析

PDADMAC作用前后的红外吸收光谱如图10所示，残炭的特征峰在2 921 cm^-1、1 633 cm^-1、1 383 cm^-1、1 116 cm^-1处有明显特征峰，2 921 cm^-1对应的基团为C—H的伸缩振动峰，1 383 cm^-1的伴随峰也验证了甲基的存在。1 700~1 500 cm^-1处的峰属于芳香环的伸缩振动，1 116 cm^-1处的峰归属于C—O伸缩振动峰。在添加分散剂和40 g·t^-1的PDADMAC后，C—O伸缩振动峰强度降低，残炭表面的含氧官能团数量减少，同时3 418 cm^-1出现峰对应着N—H基团的伸缩振动峰。残炭表面吸附上了PDADMAC。PDADMAC上的铵根与残炭上的含氧官能团发生配位作用形成稳定的铵盐，吸附于残炭上，同时减少残炭上的含氧官能团数量，增大残炭的疏水性。

2.7 MS模拟结果分析

模型的构建和计算均是在Material Studio软件上进行的。气化细渣中残炭结构复杂，SHI等^［14］通过多种表征手段建立气化细渣残炭模型，包含醛、醚和醇羟基等含氧官能团，模拟的结构红外光谱与试验结构相似度较高，本文采用此模型来研究气化细渣中残炭与絮凝剂的吸附机理。图11（a）为SHI等构建的气化细渣中的残炭分子模型^［14］。

根据图2和表2煤气化细渣的XRD和XRF可知，煤气化细渣灰质中含有大量的结晶矿物质石英，用CASTP模块对石英进行几何优化，切出α-SiO₂（100）面构建超晶胞，并对α-SiO₂（100）面进行羟基化处理，用α-SiO₂（100）代替灰质中的石英，图11（b）为α-SiO₂（100）模型。气化渣灰质中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO占比分别为39.81%、23.15%、6.41%和5.18%。用Al、Fe、Ca分别替换SiO₂表面的Si原子构建Al/SiO₂（100）、Fe/SiO₂（100）、Ca/SiO₂（100）^［26-27］代替灰质中的硅铝矿物、硅铁矿物和硅钙矿物，如图11（c-e）所示。

为了避免离子度对药剂与颗粒吸附的影响，每条PDADMAC分子链的聚合度设置为10，图11（f）为PDADMAC分子模型。

为了深入了解PDADMAC与矿物表面的微观吸附机理，本文采用Forcite模块，CompassⅡ力场，研究水溶液中的PDADMAC对残炭、α-SiO₂（100）、Al/SiO₂（100）、Fe/SiO₂（100）和Ca/SiO₂（100）的吸附形貌和吸附能。将6条聚合度为10的PDADMAC分子链与水分子模型通过Amorphous Cell模块构建絮凝剂溶液模型。建立图12（a）所示的水-PDADMAC-残炭模型尺寸65 Å×65 Å×120 Å，真空度为30 Å的真空层。同样建立水、PDADAMC和灰质中各组分的吸附模型。选用CompassⅡ力场，采用Geometry Optimization中的Smart方法迭代20 000次，对各体系进行结构优化至收敛。再利用Dynamics程序进行动力学模拟，设置参数为：298 K定容恒温系综，Nosé恒温器控制温度，采用Ewald方法（精确度为0.004 184 kJ/mol）计算长程静电相互作用，Atom based方法计算范德华相互作用。各体系在450 ps后达到平衡，基于模拟输出结果进行分析。

2.7.1 吸附形貌

图12（f）为水-PDADMAC-残炭模型稳定后的情况，PDADMAC与残炭吸附达到平衡时，PDADMAC紧密地吸附在残炭表面。从水、PDADMAC和灰质中各组分达到平衡后的吸附构型中可看到，PDADMAC并不会与灰质结合。

2.7.2 吸附能

利用Forcite模块的Energy部分来计算残炭、灰质表面与PDADMAC的吸附能差异，印证了PDADMAC与残炭和石英之间相互作用力的强度。残炭、灰质表面和PDADMAC的吸附能计算公式如下：

E_{\mathrm{a}}=E_{\mathrm{t}}-E_{\mathrm{f}}-E_{\mathrm{s}} .（5）

式中：E_a为吸附能；E_t为模拟系统平衡时的总能量；E_s为矿物表面的能量；E_f为PDADMAC和水体系之间的能量。

PDADMAC与矿物表面吸附能计算结果如表3所示，模型达到平衡时，PDADMAC与残炭表面之间的吸附能远大于α-SiO₂（100）面和其他三种金属掺杂面。PDADMAC更容易吸附于残炭表面。

对比五种模型平衡前后PDADMAC和矿物之间的相互作用，PDADMAC和α-SiO₂（100）面、Ca/SiO₂（100）面主要为静电作用和非键作用。PDADMAC和Al/SiO₂（100）面、Fe/SiO₂（100）面之间的相互作用较小，表明PDADMAC与硅铝矿物、硅铁矿物之间吸附力弱。PDADMAC和残炭依靠非键作用、静电作用和范德华力作用，非键作用大于范德华力，范德华力略大于静电作用能。PDADMAC为阳离子絮凝剂，PDADMAC溶液铵根带正电，结合图8 Zeta电位的结果，气化渣悬浊液带负电，PDADMAC会与残炭颗粒和灰质颗粒发生静电吸附和化学键吸附，PDADMAC上的铵根会与残炭上的醇、醚、醛等含氧官能团发生反应，形成更大的絮团。根据Derjaguin、Landau、Vervey^［28］和Overbeek^［29］提出的DLVO理论^［19］，随着PDADMAC浓度的增大，降低残炭颗粒水化膜厚度时，残炭颗粒双电层被压缩，双电层斥力消失，范德华引力变成主导作用力，从而使残炭颗粒絮凝。PDADMAC对灰质的静电作用力虽同样增大，但增大的幅度过小导致PDADMAC和灰质之间的主导作用力仍然是双电层斥力，因而不会使得灰质颗粒团聚。

3 结论

针对气化细渣的细粒级碳组分与煤油碰撞概率低、浮选过程中微细粒混凝及水分夹带等问题，考察了不同PDADMAC用量下残炭和灰质的粒径、Zeta电位、接触角和沉降行为，并结合分子动力学模拟结果，得出以下结论：

1）硅酸钠2 kg·t^-1，PDADMAC 40 g·t^-1时，絮凝浮选效果最佳，相比于常规浮选，尾矿灰分基本不变，精矿灰分降低8.16%，选择性系数提高7.10%。

2）硅酸钠为浮选提供稳定的分散环境，PDADMAC 40 g·t^-1时，灰质上清液浊度大于残炭上清液浊度，此时Zeta电位差达到最大值14.33 mV。相较于无药剂时，残炭的D₉₀增大6.1 μm，灰质的D₉₀降低8.2 μm。相较于无药剂时，残炭接触角增大20.2°。

3）PDADMAC对残炭的选择性絮凝机理为化学键作用，PDADMAC上的铵根与残炭上的含氧官能团发生配位作用形成稳定的铵盐，吸附于残炭上，形成更大的疏水絮团。PDADMAC与灰质不发生反应，在PDADMAC适量时，PDADMAC提高灰质之间的静电斥力，灰质进一步分散。残炭与灰质絮团大小的差异，使残炭与煤油的碰撞概率增大，从而强化气化细渣浮选。

参考文献

[1] 《气流床煤气化渣利用和处置有害成分判定技术导则》正式发布实施［J］.氮肥与合成气，2021，49（11）：35.

[2] 郭图悦，谢海云，晋艳玲，等.微细粒矿物选择性絮凝理论与技术进展［J］.矿产保护与利用，2024，44（3）：27-37.

[3] GUO T Y， XIE H Y， JIN Y L，et al.Advances in theory and technology of selective flocculation of fine-grained minerals［J］.Conservation and Utilization of Mineral Resources，2024，44（3）：27-37.

[4] 李慧泽，董连平，鲍卫仁，等.基于视密度的煤气化渣水介质旋流炭-灰分离［J］.化工进展，2021，40（3）：1344-1353.

[5] LI H Z， DONG L P， BAO W R，et al.Carbon-ash separation of coal gasification slag in swirling water based on apparent density［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2021，40（3）：1344-1353.

[6] WEN J L， LI J， WANG H Y，et al.Coal gasification coarse slag-based polymeric aluminum ferric chloride sulfate （CGCS-PAFCS） flocculant for coal washing wastewater purification［J］.Journal of Environmental Chemical Engineering，2025，13（6）：119453.

[7] 樊晓婷.乳液捕收剂对煤气化细渣浮选过程强化及分级浮选试验工艺研究［D］.太原：太原理工大学，2025.

[8] WEBER M E， PADDOCK D.Interceptional and gravitational collision efficiencies for single collectors at intermediate reynolds numbers［J］.Journal of Colloid and Interface Science，1983，94（2）：328-335.

[9] WANG H N， LIANG Y N， LI D L，et al.Collisional interaction process between a bubble and particles with different hydrophobicity［J］.Separation and Purification Technology，2022，301：121940.

[10] GULSOY O Y.A simple model for the calculation of entrainment in flotation［J］.Korean Journal of Chemical Engineering，2005，22（4）：628-634.

[11] WARREN L J.Determination of the contributions of true flotation and entrainment in batch flotation tests［J］.International Journal of Mineral Processing，1985，14（1）：33-44.

[12] YANG B， YIN W Z， ZHU Z L，et al.A new model for the degree of entrainment in froth flotation based on mineral particle characteristics［J］.Powder Technology，2019，354：358-368.

[13] GAO H Y， WANG Q Q， LIANG L，et al.Carbon-ash separation of coal gasification fine slag by flocculation-flotation process［J］.International Journal of Coal Preparation and Utilization，2025，45（9）：2045-2062.

[14] 赵江涛，李懿江，武锋，等.基于聚焦光束反射测量技术的煤泥水选择性絮凝沉降表征研究［J］.煤炭工程，2020，52（S2）：137-142.

[15] ZHAO J T， LI Y J， WU F，et al.Characterization of selective flocculation settlement of coal slurry based on focused beam reflectance measurement［J］.Coal Engineering，2020，52（S2）：137-142.

[16] WANG Y S， ZHOU W G， LI Y J，et al.The role of polyvinylpyrrolidone in the selective separation of coal from quartz and kaolinite minerals［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2021，626：126948.

[17] SHI D， ZHANG J B， LI H Q，et al.Insight into the mechanism of gasification fine slag enhanced flotation with selective dispersion flocculation［J］.Fuel，2023，336：127134.

[18] 潘婵婵，刘霞，霍威，等.煤气化细灰及其原煤的热解特性与官能团特征［J］.化工学报，2015，66（4）：1449-1458.

[19] PAN C C， LIU X， HUO W，et al.Functional groups and pyrolysis characteristics of fine gasification ashes and raw coals［J］.CIESC Journal，2015，66（4）：1449-1458.

[20] 葛晓东.煤气化细渣表面性质分析及浮选提质研究［J］.中国煤炭，2019，45（1）：107-112.

[21] GE X D.Surface properties analysis of coal gasification coal cinder and flotation extraction research［J］.China Coal，2019，45（1）：107-112.

[22] SHI D， ZHANG J B， HOU X J，et al.Adsorption mechanism of a new combined collector （PS-1） on unburned carbon in gasification slag［J］.Science of the Total Environment，2022，818：151856.

[23] LI D H， YANG F J， WANG P，et al.Molecular dynamics simulation of flotation of difficult-to-float oxidized coal slime enhanced by polar and non-polar mixed collectors［J］.Minerals Engineering，2025，224：109195.

[24] BAI X Y， ZHANG J W， YAN G C，et al.Mechanism of anthracite dust suppression by surfactants with different alkyl chain lengths：Thermodynamic micelle morphology，adsorption probability，and interfacial forces［J］.Chemical Engineering Science，2025，309：121475.

[25] 韩伟，牛耀，程上，等.药剂协同强化不连沟煤泥浮选试验研究［J］.中国矿业，2024，33（8）：209-217.

[26] HAN W， NIU Y， CHENG S，et al.Experimental study on synergistic effect of collectors to strengthen the flotation of Buliangou coal slime［J］.China Mining Magazine，2024，33（8）：209-217.

[27] 张建伟，王中原.选择性絮凝的方法及其机理（Ⅱ）［J］.过滤与分离，2005（2）：1-3，41.

[28] ZHANG J W， WANG Z Y.The method and mechanism of selective flocculation （Ⅱ）［J］.Journal of Filtration & Separation，2005（2）：1-3，41.

[29] BIERY A R， KNAUSS D M.Recent advances in the synthesis of diallylammonium polymers［J］.Materials Today Chemistry，2022，26：101251.

[30] YAN X H， XU H X， WEI L B.A cationic polyelectrolyte for enhancing dewatering of montmorillonite-containing coal slime：Adsorption and modification mechanism［J］.International Journal of Coal Preparation and Utilization，2024：1-20.

[31] ZHANG Y F， QU J S， ZHANG J B，et al.Distribution，occurrence，and leachability of typical heavy metals in coal gasification slag［J］.Science of the Total Environment，2024，926：172011.

[32] 邓二庆，杨珍妮，赵世永，等.煤气化细渣浮选行为及工艺研究［J］.煤炭工程，2024，56（6）：196-202.

[33] DENG E Q， YANG Z N， ZHAO S Y，et al.Study on flotation behavior and process of coal gasification fine slag［J］.Coal Engineering，2024，56（6）：196-202.

[34] 贺冲，白进，郭晶，等.气氛和化学组成对高铁煤灰熔融特性的影响机理［J］.化工学报，2022，73（10）：4648-4658.

[35] HE C， BAI J， GUO J，et al.Effects of atmosphere and chemical composition on fusion characteristics of high-iron coal ash［J］.CIESC Journal，2022，73（10）：4648-4658.

[36] GEROSA M， DI VALENTIN C， BOTTANI C E，et al.Communication：Hole localization in al-doped quartz SiO₂ within ab initio hybrid-functional DFT［J］.The Journal of Chemical Physics，2015，143（11）：111103.

[37] ZHOU Y， JAMESON G J， FRANKS G V.Influence of polymer charge on the compressive yield stress of silica aggregated with adsorbed cationic polymers［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2008，331（3）：183-194.

[38] BLEES M H.Foundations of colloid science［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2002，210（1）：125.

基金资助

中央引导地方科技发展资金项目(YDZJSX2025D020)

山西省基础研究计划面上项目(202503021211041)

国家自然科学基金联合基金项目(U23A20131)

国家重点研发计划课题(2023YFB03501)